Prawo Ohma

Krzysztof Makles
Sprzęt i architektura komputerów
Laboratorium
Temat:
Obsługa NI ELVIS II
Katedra Architektury Komputerów i Telekomunikacji
Zakład Systemów i Sieci Komputerowych
SPIS TREŚCI
1. Wymagania ................................................................................................. 2
2. Przebieg ćwiczenia..........................................Error! Bookmark not defined.
2.1.
Przykład projektowy ................................Error! Bookmark not defined.
2.2.
Weryfikacja projektu w środowisku Xilinx ISE ........ Error! Bookmark not
defined.
3. Zadania ...........................................................Error! Bookmark not defined.
4. Podsumowanie ............................................................................................ 8
5. Literatura................................................................................................... 10
1. W Y M A GAN I A
Wykonanie niniejszego ćwiczenia wymaga od studenta posiadania wiedzy i umiejętności z
zakresu:
• znajomość pojęć natężenia i napięcia prądu,
• znajomość prawa Ohma,
2. N I EL VI S I I
NI ELVIS II (National Instruments Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite II Series)
jest środowiskiem sprzętowo-programowym służącym do prototypowania układów elektronicznych.
Wykorzystywany może być zarówno w edukacji, jak i w pracach inżynierskich lub badawczych.
Sposób podłączenia urządzenia do komputera pokazano na rysunku 1.
Sprzęt i architektura komputerów
Rys. 1.
Sposób podłączenia i zasilenia urządzenia ELVIS II
Komputer (1) połączony jest z urządzeniem (3) poprzez przewód USB (2). W urządzeniu
zamontowana jest płytka do prototypowania (4). Zasilacz (5) podłączony jest do gniazda znajdującego
się w tylniej części ELVIS-a. Do zasilacza podłączony jest kabel zasilający (6).
Należy przyjąć następującą procedurę podłączania zestawu:
1. Sprawdzić połączenie USB pomiędzy komputerem a ELVIS-em (rysunek 2, gniazdo
(3)).
2. Włożyć kabel zasilający do zalicza ELVIS-a (zasilacz powinien już być podłączony do
gniazda (2) z rysunku 2).
3. Przełączyć w pozycję I włącznik zasilania, znajdujący się w tylniej części urządzenia
(rysunek 2, włącznik (1), w tym momencie urządzenie powinno zostać rozpoznane
przez system operacyjny).
Strona 3 z 10
Sprzęt i architektura komputerów
Rys. 2.
Tylni panel urządzenia ELVIS
W trakcie zajęć kolejne ćwiczenia będą wykonywane na płycie do prototypowania, pokazanej
na rysunku 4. Zasilenie płyty do prototypowania odbywa się poprzez ustawienie w pozycję I
włącznika, znajdującego się w prawym górnym rogu ELVIS-a (rysunek 3).
Rys. 3.
Diody kontrolne oraz włącznik zasilania płyty do prototypowania
Prawidłowa praca urządzenia sygnalizowana jest poprzez świecenie się diody USB Ready oraz
Power. Pamiętać należy, że wszelkie połączenia, osadzanie na płycie elementów, podłączanie
mierników zewnętrznych, modyfikację połączeń na płycie, należy wykonywać przy wyłączonym
zasilaniu płyty do prototypowania. Należy także zwracać uwagę na poprawność wykonania połączeń,
gdyż w skrajnych przypadkach niepoprawne połączenie może skutkować uszkodzeniem elementów
elektronicznych, uszkodzeniem samego ELVIS-a, lub uszkodzeniem zewnętrznych urządzeń
pomiarowych.
Strona 4 z 10
Sprzęt i architektura komputerów
Rys. 4.
Wygląd płyty do prototypowania
W lewej części płyty do prototypowania znajdują się:
• wejścia analogowe AI oraz wejścia interfejsu PFI (Programmable Functions Interface) (1);
• interfejs przyłącza płyty do ELVIS-a (2);
• wejścia/wyjścia cyfrowe DIO (3);
• diody świecące konfigurowane przez użytkownika (4);
• wyjście D-SUB (5);
• sekcja liczników/czasomierzy (Counter/Timer), wejść/wyjść konfigurowanych przez
użytkownika, zasilania (6);
• obsługa wirtualnego multimetru (DMM), wyjścia analogowe (AO), generator przebiegów
(Function Generator), wejścia, wyjścia konfigurowane przez użytkownika, źródło o zmiennym
napięciu (Variable Power Suplies), źródła zasilania (7);
• diodowe wskaźniki zasilania (8);
• przyłącze śrubowe (9);
• przyłącza BNC (10);
• przyłącza bananowe (11);
• śruba montarzowa (12).
Pamiętać należy, że na płycie do prototypowania stałe połączenia elektryczne w sekcjach
zrealizowane są wierszami.
Rys. 5.
Sposób podłączenia dla pomiaru napięcia stałego 5V
Strona 5 z 10
Sprzęt i architektura komputerów
3. PO M I A RY ZA PO M O CA M UL TIM ETRU
Pomiary podstawowych parametrów można dokonać w dwojaki sposób: korzystając z
multimetru wirtualnego, realizowanego w środowisku komputerowym, lub za pomocą multimetru
rzeczywistego.
Przykład: Pomiar napięcia o wartości 5V za pomocą multimetru wirtualnego.
Aby dokonać pomiaru napięcia prądu stałego 5V, należy połączyć źródło napięcia 5V,
znajdujące się po lewej lub prawej stronie płyty do prototypowania (rząd 54) z wyjściem BANANA C
(rząd 40), oraz masę GROUND (rząd 53) z wyjściem BANANA D (rząd 41). Połączenia można wykonać
w sposób pokazany na rysunku 5.
Następni należy połączyć wyjścia BANANA dodatkowymi przewodami z wejściami multimetru
wirtualnego, odpowiednio:
BANANA C -> DMM V (czerwone);
BANANA D -> DMM COM (czarne).
Wykonanie połączenia pokazano na rysunku 6.
Rys. 6.
Sposób podłączenia wyjść BANANA z wirtualnym multimetrem
W środowisku komputerowym uruchamiamy wirtualny multimetr (Programy->National
Instruments->Ni ELVISmx Instrument Launcher->Instruments->Digital Multimeter). Uruchomiony
multimetr pokazano na rysunku 7. Multimetr ten pozwala na pomiar napięcia, natężenia, oporu,
pojemności i indukcyjności.
Jeżeli połączenia wykonano poprawnie, po naciśnięciu przycisku Run na wyświetlaczu w górnej
części okna multimetru powinien ukazać się wynik pomiaru (około 5V). Jeżeli pomiar jest zakończony,
można wcisnąć przycisk Stop.
Strona 6 z 10
Sprzęt i architektura komputerów
Rys. 7.
Digital Multimeter w środowisku NI
4. PRZEBI EG ĆW I CZEN I A
Wykorzystując regulowane źródło napięcia stałego z zestawu laboratoryjnego NI ELVIS II oraz
dany przez prowadzącego rezystor zbuduj i zbadaj układ elektryczny według schematu
przedstawionego na rys. 8.
R
I
S+
E
mA
BA
BB
U
BC
V
G
Rys. 8.
BD
Schemat obwodu do weryfikacji prawa Ohma
Kolejność czynności:
• Odczytaj z kodu paskowego rezystancję nominalną rezystora (np. skorzystaj z tabel bądź
kalkulatorów dostępnych w Internecie)
• Podłącz zasilacz sieciowy do zestawu laboratoryjnego NI ELVIS II
• Połącz zestaw laboratoryjny NI ELVIS II z komputerem za pomocą kabla USB
Strona 7 z 10
Sprzęt i architektura komputerów
• Włącz zasilanie platformy głównej z tyłu obudowy
• Umieść rezystor R na płycie prototypowej
• Połącz, szeregowo z rezystorem, multimetr wirtualny ustawiony w tryb pracy amperomierza
prądu stałego
• Wykonaj połączenia z regulowanym źródłem napięcia stałego – Variable Power Supplies
(SUPPLY +)
• Połącz, równolegle z rezystorem, zewnętrzny multimetr cyfrowy ustawiony w tryb pracy
woltomierza napięcia stałego
• Uruchom program sterowania zasilaczem (START → Programy → Na onal Instruments → NI
ELVISmx for NI ELVIS & NI myDAQ → Instruments → Variable Power Supplies)
• Uruchom program obsługi multimetru (START → Programy → Na onal Instruments → NI
ELVISmx for NI ELVIS & NI myDAQ → Instruments → Digital Multimeter)
• Włącz zasilanie górnej płyty prototypowej
• Dla pięciu różnych wartości napięcia zasilania (ustawionych za pomocą pulpitu zasilacza
regulowanego na ekranie komputera) odczytaj z mierników natężenie prądu płynącego przez
rezystor oraz napięcie na rezystorze; wyniki pomiarów wstaw do poniższej tabeli
Tabela 1: Wyniki pomiarów dla rezystora
L.p.
1.
2.
3.
4.
5.
U [V]
I [mA]
R=U/I [kΩ]
• Wyłącz zasilanie górnej płyty prototypowej
• Oblicz wartość ilorazu U/I dla każdego pomiaru. Czy wartość tego ilorazu zależy od U? Jakie
prawo teorii obwodów zostało zweryfikowane?
• Oblicz średnią wartość ilorazu U/I i porównaj z wartością nominalną rezystancji odczytaną z
kodu
paskowego
rezystora.
Czy
wartość
rezystancji
uzyskana
z pomiarów jest zgodna z wartością nominalną?
• Wykreśl zależność natężenia prądu płynącego przez dany rezystor od napięcia elektrycznego na
rezystorze I=f(U). Określ i uzasadnij określenie rodzaju charakterystyki prądowo-napięciowej
rezystora.
Na rysunku 9 pokazano sposób wykonania poprawnego połączenia.
5. PO D S UM O W A N IE
W wyniku przeprowadzonego ćwiczenia, a także ćwiczeń poprzednich student powinien nabyć
bądź utrwalić następujące umiejętności:
• Zastosowanie prawa Ohma do analizy prostych obwodów elektrycznych;
• Rozróżnianie połączenia szeregowego od równoległego oraz umiejętność opisu zależności
pomiędzy wielkościami elektrycznymi, zachodzących w przypadku takich połączeń;
• Poprawnego włączania woltomierza i amperomierza do obwodu elektrycznego oraz
wykonywania pomiarów podstawowych wielkości elektrycznych w obwodach prądu stałego;
Strona 8 z 10
Sprzęt i architektura komputerów
Rys. 9.
Realizacja układu do badania prawa Ohma.
Rys. 10. Podłączenie układu pomiarowego
Strona 9 z 10
Sprzęt i architektura komputerów
6. L I TERA TURA
[1] Horowitz P., Hill W.: Sztuka Elektroniki cz. 1, wydanie 9, WKŁ, Warszawa 2009
[2] Kuphaldt T. R.: Lessons In Electric Circuits, Volume VI – Experiments,
http://www.ibiblio.org/kuphaldt/electricCircuits/Exper/index.html (dostęp październik
2010)
[3] Kuphaldt
T.
R.:
Lessons
In
Electric
Circuits,
Volume
I
–
DC,
http://www.ibiblio.org/kuphaldt/electricCircuits/DC/index.html (dostęp październik
2010)
[4] Rusek M., Pasierbiński J.: Elementy i układy elektroniczne w pytaniach i odpowiedziach,
WNT, Warszawa, 2006.
Strona 10 z 10